DE4208409A1 - METHOD FOR PRODUCING Sintered Urand Oxide - Google Patents

METHOD FOR PRODUCING Sintered Urand Oxide

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Description

Diese Erfindung betrifft die Herstellung von gesintertem Urandi­ oxid.This invention relates to the manufacture of sintered urandi oxide.

Es ist bekannt, daß das Sintern von Urandioxid bei hohen Temperatu­ ren in einer Kohlendioxidumgebung normalerweise zu einem gesinter­ ten Urandioxid führt, das ein übermäßiges Kornwachstum aufweist. Es können beispielsweise Körner Abmessungen von mehr als 1000 Mikron erreichen. Demzufolge gibt es üblicherweise im gesinterten Urandi­ oxid nur wenige Körner, und diese werden Keime gebildet haben und dann in einem Stadium während der mikrostrukturellen Entwicklung des gesinterten Urandioxids auf Kosten anderer Körner bevorzugt ge­ wachsen sein. Dies erzeugt eine Besetzung von Körnern, in der sehr wenige Körner, die das meiste vom Pelletvolumen aufweisen, eine übermäßige Größe (größer als 1000 Mikron) aufweisen, und die ver­ bleibenden Körner sind von verhältnismäßig geringer Größe (etwa 20 Mikron). Dies führt zu einem gesinterten Urandioxid mit unstabiler Mikrostruktur, das zur Verwendung als Kernbrennstoff in einem Kern­ reaktor unerwünscht ist.It is known that the sintering of uranium dioxide at high temperatures normally sintered in a carbon dioxide environment leads uranium dioxide, which has an excessive grain growth. It For example, grains can have dimensions of more than 1000 microns to reach. As a result, there is usually in the sintered Urandi only a few grains oxide and these will have formed and germs then at a stage during microstructural development the sintered uranium dioxide is preferred at the expense of other grains grow. This creates an occupation of grains in the very few grains that have the most pellet volume, one have excessive size (larger than 1000 microns), and the ver permanent grains are relatively small in size (about 20 Micron). This leads to a sintered uranium dioxide with unstable Microstructure intended for use as a nuclear fuel in a core reactor is undesirable.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung gesin­ terten Urandioxids zu finden, das, wenn es in einer Kohlendioxidum­ gebung gesintert wird, eine gleichmäßigere Mikrostruktur aufweist. It is an object of the invention to provide a method for manufacturing tertiary uranium dioxide to find that when it is in a carbon dioxide is sintered, has a more uniform microstructure.  

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung gesinterten Urandioxids vorgesehen, das eine im wesentlichen gleichförmige Mikrostruktur aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, ein Gemisch aus einer vorbestimmten Menge an Kei­ men zu bilden, die Urandioxid-Einzelkristalle umfassen, und aus ei­ nem Pulver, das Urandioxid aufweist, ein Granulat aus dem Gemisch zu erzeugen, Preßlinge aus dem Gemisch zu formen, die Preßlinge bei einer ersten Temperatur in einer Gasumgebung zu sintern, die Koh­ lendioxid enthält, und dann die Preßlinge einer reduzierenden Gas­ umgebung auszusetzen, die Wasserstoff aufweist, und zwar bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur als der ersten Temperatur, wobei die Menge an Keimen so ist, daß sie die Mikrostruktur der gesinter­ ten Preßlinge durch Verhindern übermäßigen Kornwachstumes in den Preßlingen während des genannten Sinterschrittes stabilisiert.According to the present invention is a method of manufacture sintered uranium dioxide is provided, which is essentially one having a uniform microstructure, the method comprising Steps comprises a mixture of a predetermined amount of Kei to form men, which comprise uranium dioxide single crystals, and from ei nem powder containing uranium dioxide, a granulate from the mixture to produce compacts from the mixture, the compacts sinter a first temperature in a gas environment, the Koh contains dioxide, and then the compacts of a reducing gas suspend environment that contains hydrogen at one significantly lower temperature than the first temperature, wherein The amount of germs is such that they sinter the microstructure th compacts by preventing excessive grain growth in the Compacts stabilized during the said sintering step.

Vorzugsweise sind die Keime so gewählt, daß sie eine Größe aufwei­ sen, die 38 Mikron nicht überschreitet, beispielsweise in den fol­ genden Größenbereichen: 30-38 Mikron, 20-30 Mikron, 10-20 Mikron und weniger als 10 Mikron.The nuclei are preferably selected so that they have a size sen, which does not exceed 38 microns, for example in fol size ranges: 30-38 microns, 20-30 microns, 10-20 microns and less than 10 microns.

Vorteilhafterweise sind die Keime mit dem Pulver in einer Menge von 2 Gew.-% vermischt.The germs with the powder are advantageously present in an amount of 2 wt .-% mixed.

In einer bevorzugten Form der Erfindung wird der Sinterschritt bei einer Temperatur von etwa 1700°C durchgeführt, und der Reduzier­ schritt wird bei einer Temperatur von etwa 1150°C durchgeführt, mit Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten von 10°C pro Minute zwischen Umgebungstemperatur und 1700°C und beim Abkühlen von 1700°C auf 1150°C.In a preferred form of the invention, the sintering step is carried out a temperature of about 1700 ° C, and the reducer step is carried out at a temperature of about 1150 ° C with Heating and cooling rates of 10 ° C per minute between ambient temperature and 1700 ° C and when cooling from 1700 ° C to 1150 ° C.

Die Erfindung umfaßt ferner gesintertes Urandioxid, das durch das Verfahren der Erfindung hergestellt ist und das die Form zylindri­ scher Pellets aufweisen kann.The invention further encompasses sintered uranium dioxide produced by the Method of the invention is produced and the shape is cylindrical shear pellets.

Die Erfindung wird nun nur beispielsweise in den folgenden Beispie­ len noch näher beschrieben:The invention will now only be described, for example, in the following examples  len described in more detail:

Beispiel IExample I

Keimkristalle aus Urandioxid wurden hergestellt durch den Hochtem­ peraturzerfall von Urandioxid in trockenem Wasserstoff. Um dies zu erreichen, wurden Grünpellets aus Urandioxid eine Stunde lang auf 2100°C erwärmt, unter Benutzung von Erwärmungs- und Abkühlungsge­ schwindigkeiten, die auf 20°C pro Minute ausgesteuert wurden. Die erhaltenen Keime wurden gesiebt, um Keine eines ausgewählten Größenbereichs - 30-38 Mikron - zu erhalten. Die Keime wurden mit Urandioxidpulver in einer Menge von 2 Gew.-% vermischt und das Ge­ misch wurde durch mehrfaches Sieben durch ein 106-Mikron-Sieb homo­ genisiert. Das homogenisierte Gemisch wurde granuliert und pelle­ tiert, wonach die Pellets bei einem Druck von vier Tonnen pro Qua­ dratzentimeter zur Erzeugung von Grünpellets gepreßt wurden. Die Grünpellets wurden fünf Stunden lang in strömendem Kohlendioxid bei 1700°C gesintert und anschließend eine Stunde lang bei 1150°C in Wasserstoff reduziert, bevor sie auf Raumtemperatur abkühlen konn­ ten. Die Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten zwischen der Raum­ temperatur und 1700°C sowie bei der Abkühlung auf 1150°C wurden auf 10°C pro Minute ausgesteuert. Proben der gesinterten Pellets wurden keramographisch präpariert und analysiert, um die Korngröße zu be­ stimmen. Die Ergebnisse zeigten, daß die mittlere Korngröße in den Pellets etwa 45,5 Mikron mit einer insgesamt gleichförmigen Mikro­ struktur betrug.Seed crystals from uranium dioxide were produced by the Hochtem temperature decay of uranium dioxide in dry hydrogen. To do this reached, uranium dioxide green pellets were left on for one hour Heated at 2100 ° C using heating and cooling ge speeds that were set to 20 ° C per minute. The Germs obtained were sieved to none of a selected one Size range - 30-38 microns. The germs were with Uranium dioxide powder mixed in an amount of 2 wt .-% and the Ge mixing was achieved by repeated sieving through a 106 micron sieve homo embarrassed. The homogenized mixture was granulated and peeled tiert, after which the pellets at a pressure of four tons per qua three centimeters were pressed to produce green pellets. The Green pellets were placed in flowing carbon dioxide for five hours Sintered at 1700 ° C and then at 1150 ° C for one hour Reduced hydrogen before it could cool to room temperature ten. The heating and cooling rates between the room temperature and 1700 ° C as well as when cooling to 1150 ° C Controlled at 10 ° C per minute. Sintered pellet samples were taken prepared and analyzed by ceramography to determine the grain size vote. The results showed that the average grain size in the Pellets about 45.5 microns with an overall uniform micro structure was fraud.

Beispiel IIExample II

Das Verfahren wurde wie im Beispiel I wiederholt, mit der Ausnahme, daß Keime eines Größenbereichs von 20-30 Mikron ausgewählt wur­ den. Die Analyse der gesinterten Pellets zeigte, daß die mittlere Korngröße etwa 42,1 Mikron betrug.The procedure was repeated as in Example I, except that that 20-30 micron size nuclei were selected the. Analysis of the sintered pellets showed that the middle Grain size was approximately 42.1 microns.

Beispiel IIIExample III

Das Verfahren wurde wie im Beispiel I wiederholt, mit der Ausnahme, daß Keime eines Größenbereichs von 10-20 Mikron ausgewählt wur­ den. Die Analyse der gesinterten Pellets zeigte, daß die mittlere Korngröße etwa 40,2 Mikron betrug.The procedure was repeated as in Example I, except that  that 10-20 micron size nuclei were selected the. Analysis of the sintered pellets showed that the middle Grain size was about 40.2 microns.

Beispiel IVExample IV

Das Verfahren wurde wie im Beispiel I wiederholt, mit der Ausnahme, daß Keime eines Größenbereichs von weniger als 10 Mikron ausgewählt wurden. Die Analyse der gesinterten Pellets zeigte, daß die mittle­ re Korngröße etwa 32,3 Mikron betrug.The procedure was repeated as in Example I, except that that seeds of a size range of less than 10 microns are selected were. Analysis of the sintered pellets showed that the mean re grain size was about 32.3 microns.

In jedem der obigen Beispiele wurden verhältnismäßig große Korn­ größen erzeugt, aber in einer im wesentlichen gleichförmigen Mikro­ struktur. Wenn dagegen das Verfahren bei nicht mit Keimen versehe­ nen Urandioxidpellets durchgeführt wurde, dann führte dies zu einem übermäßigen Kornwachstum mit manchen Korngrößen von wenigstens 1000 Mikron, und zu Bereichen von Pellets, die kleine Körner mit einer Größe von etwa 20 Mikron enthalten.In each of the above examples, the grain size was relatively large sizes produced, but in a substantially uniform micro structure. On the other hand, if the procedure does not germinate If a uranium dioxide pellet was carried out, this led to a excessive grain growth with some grain sizes of at least 1000 Micron, and to areas of pellets containing small grains with a Size of about 20 microns included.

Es ist einer der Vorteile der Erfindung, daß es das Verfahren er­ möglicht, daß Urandioxidpellets ohne unkontrolliertes Kornwachstum in den Pellets in Kohlendioxid gesintert werden.It is one of the advantages of the invention that it is the process possible that uranium dioxide pellets without uncontrolled grain growth are sintered in carbon dioxide in the pellets.

Es ist ein anderer Vorteil, daß das Verfahren in festem Aggregatzu­ stand ohne Anwesenheit einer flüssigen Phase der Keime oder des Pulvers stattfindet.It is another advantage that the process is in a solid state stood without the presence of a liquid phase of the germs or Powder takes place.

Es ist ein noch weiterer Vorteil, daß es die Anwendung des Verfah­ rens ermöglicht, Urandioxidpellets zu erzeugen, die Korngrößen auf­ weisen, welche das Zurückhalten von Spaltgas fördern, wenn sie als Kernbrennstoffpellets in Kernkraftreaktoren verwendet werden.It is still another advantage that it is the application of the procedure rens enables uranium dioxide pellets to be produced based on the grain sizes point, which promote the retention of fission gas when they Nuclear fuel pellets are used in nuclear power reactors.

Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit der Anwendung von 2 Gew.-% an Keimen beschreiben wurde, können für spezielle Zwecke auch ande­ re Mengen angewandt werden.Although the invention is related to the use of 2% by weight germs can also be used for special purposes re quantities are applied.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung gesinterten Urandioxids, das eine im wesentlichen gleichförmige Mikrostruktur aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte, ein Gemisch aus einer vorbestimmten Menge an Keimen zu bilden, die Urandioxid-Ein­ zelkristalle umfassen, und aus einem Pulver, das Urandioxid auf­ weist, ein Granulat aus dem Gemisch zu erzeugen, Preßlinge aus dem Gemisch zu formen, die Preßlinge bei einer ersten Temperatur in ei­ ner Gasumgebung zu sintern, die Kohlendioxid enthält, und dann die Preßlinge einer reduzierenden Gasumgebung auszusetzen, die Wasser­ stoff aufweist, und zwar bei einer wesentlich niedrigeren Tempera­ tur als der ersten Temperatur, wobei die Menge an Keimen so ist, daß sie die Mikrostruktur der gesinterten Preßlinge durch Verhin­ dern übermäßigen Kornwachstumes in den Preßlingen während des ge­ nannten Sinterschrittes stabilisiert.1. A method of producing sintered uranium dioxide having a substantially uniform microstructure, characterized by the steps of forming a mixture of a predetermined amount of nuclei comprising single crystals of uranium dioxide and a powder having uranium dioxide To produce granules from the mixture, to form compacts from the mixture, to sinter the compacts at a first temperature in a gas environment containing carbon dioxide, and then to expose the compacts to a reducing gas environment which contains hydrogen, at a substantial amount lower temperature than the first temperature, the amount of germs being such that it stabilizes the microstructure of the sintered compacts by preventing excessive grain growth in the compacts during the said sintering step. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sin­ terschritt bei einer Temperatur von etwa 1700°C durchgeführt wird, und der Reduzierschritt bei einer Temperatur von etwa 1150°C durch­ geführt wird, mit Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten von 10°C pro Minute zwischen Umgebungstemperatur und 1700°C und beim Abkühlen von 1700°C auf 1150°C.2. The method according to claim 1, characterized in that the sin step is carried out at a temperature of about 1700 ° C. and the reducing step at a temperature of about 1150 ° C is performed, with heating and cooling rates of 10 ° C per minute between ambient temperature and 1700 ° C and at Cooling down from 1700 ° C to 1150 ° C. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sinterschritt etwa fünf Stunden lang durchgeführt wird und der Reduzierschritt etwa eine Stunde lang durchgeführt wird.3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized  net that the sintering step is carried out for about five hours and the reducing step is carried out for about an hour. 4. Verfahren nach jedem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Keime eine Größe aufweisen, die 38 Mikron nicht übersteigt.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized indicates that the nuclei are 38 microns in size exceeds. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kei­ me eine Größe von weniger als 10 Mikron, oder zwischen 10 und 20 Mikron, oder zwischen 20 und 30 Mikron, oder zwischen 30 und 38 Mi­ kron aufweisen.5. The method according to claim 4, characterized in that the Kei me a size less than 10 microns, or between 10 and 20 Microns, or between 20 and 30 microns, or between 30 and 38 mi have crown. 6. Verfahren nach jedem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Keime dem Pulver in einer Menge von etwa 2 Gew.-% beigemischt werden.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized indicates that the germs in the powder in an amount of about 2 wt .-% be added. 7. Verfahren nach jedem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Preßlinge zylindrisch geformt werden.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized ge indicates that the compacts are cylindrical.
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